基于軋鋼用LCI變頻調速三相同步電動機的設計與分析

雷向福，張 顆，周德富，王 艷，王 振，李素平

海上風力發(fā)電技術與檢測國家重點實驗室（湘潭電機股份有限公司），湖南 湘潭 411101

前言

當前鋼鐵行業(yè)中軋機向寬調速、大容量、高速方向發(fā)展[1-3]，軋機機組通常是幾個機架集中傳動，主傳動電動機單機容量達到4000kW。由于大容量、高轉速直流電動機制造難度大以及直流電機調速的固有缺陷，越來越多的軋機采用LCI交直交變頻調速同步電動機驅動[4-5]。

LCI傳動系統(tǒng)是Load Commutated Inverter for the Drive System of Synchronous Motor，稱為負載換向式SCR(可控硅整流裝置)電流型變頻器，系統(tǒng)電源頻率不是外部給的，而是與電動機轉子旋轉位置相關聯(lián)的，即變頻電源的頻率和相位受同步電動機旋轉位置的約束，稱為自控式同步電動機傳動系統(tǒng)，或者稱自控變頻調速系統(tǒng)。這種調速系統(tǒng)的結構形式類似于直流電機，轉子磁極位置檢測器和逆變器代替了直流電機的換向器和電刷的功能，這種系統(tǒng)曾被稱為“無換向器電機”。

LCI變頻器的輸出頻率一般不是獨立調節(jié)，而是依靠轉子位置監(jiān)測器得到的轉子位置信號按一定順序周期性地觸發(fā)逆變器中相應的晶閘管調節(jié)。這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機轉速始終保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。某些專業(yè)技術書中將同步電動機和電機側的變流器合起來稱為無換向器電動機或無整流子電動機。它將直流電動機和交流異步電動機兩種電機的優(yōu)點結合在一起。例如有直流電動機的調速特性，但無換向器；又與交流異步電動機一樣具有結構簡單、不需要經(jīng)常維護和檢修的特點。

LCI無須強迫換相，其電路結構簡單，功率單元的晶閘管元件數(shù)量較少，元件的耐壓要求低，多應用在一些大容量的調速傳動系統(tǒng)中，特別是在高電壓、高轉速的大功率傳動中應用廣泛。采用LCI變頻調速同步電動機須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt，電機要能夠承受變頻器的諧波電流。本文介紹湘潭電機為某鋼廠軋機驅動電機設計的基于LCI變頻調速的三相同步電動機。

1 電動機主要參數(shù)及運行條件

電動機主要技術參數(shù)如下：

型號： TBPKS900-6

額定功率：4000kW

轉速：482/1500r/min

額定電壓：3150/3150V

額定電流：752/767A

相數(shù)： 三相

繞組連接：Y接

極數(shù)： 6極

頻率： 24.1/75Hz

功率因數(shù)：1

效率（不含勵磁損耗）：97.5/95.6 %

勵磁電壓：102/81V

勵磁電流：397/331A

直軸超瞬變電抗 X′d：0.197 (24.1Hz)

交軸超瞬變電抗 X′q：0.185 (24.1Hz)

絕緣等級：F

冷卻方式：IC8A6W7

電動機運行條件為：

環(huán)境溫度：45℃

冷卻水進水溫度: ≤33℃

冷卻水進水壓力：0.2～0.4MPa

冷卻水水質：工業(yè)凈水

海拔高度：≤1000 m

相對濕度: ≤95%

安裝位置：軋鋼廠房內

2 電動機設計原則

2.1 設計特點

湘潭電機已經(jīng)成功開發(fā)研制了 TBPKS1000-6 4800kW 700/1400r/min 3150V 6相（雙Y移30°）軋鋼用LCI同步電動機，在設計和制造方面積累了豐富經(jīng)驗，其工藝和結構為 TBPKS900-6 4000kW 482/1500r/min 3150V三相同步電動機的研制提供了很好的參考。該型電動機在設計上借鑒了以往軋鋼電機成熟的結構及工藝制造方法，電機主要尺寸的確定采用類比設計方法，電機的總體結構設計考慮軋鋼機以及LCI變頻器對電機的要求，對電機關鍵部件進行剛度和強度的計算，以使電機適應實際工況的要求，確保該型電動機設計制造成功。

2.2 絕緣結構

絕緣結構關系到改善定子繞組造成的電場分布不均勻，可以降低電場不均勻系數(shù)，提高擊穿電壓，還能改善工藝制造過程中主絕緣內部存在的氣隙、尖角和雜質等因素造成的電場集中和局部放電，能達到延長電機使用壽命的目的[6]。由于采用 LCI變頻調速軋鋼用同步電動機須耐受3000V/μs電壓變化率，對電機的匝間絕緣和對地絕緣提出更高要求。帶電抗器的電機絕緣需要耐受2～2.5倍電機額定電壓，不帶濾波器變頻器的電機絕緣要求更高。額定電壓為3150V的電動機需要按照6.3kV的額定電壓來考核，對地絕緣厚度加防暈層和匝間絕緣需要特別加強，采用F級少膠粉云母VPI浸漬環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬樹脂的絕緣體系，滿足匝間耐電暈能力的要求，通過采用環(huán)氧酸酐無溶劑浸漆，達到增加掛漆量，提升了電機整體絕緣水平。

2.3 防軸電流設計

交流傳動系統(tǒng)由于采用變頻供電方式導致三相輸出電壓矢量和不為零，導致中性點電壓不為零，這個電壓稱為共模電壓，共模電壓與轉子耦合，產生轉軸對地的脈沖電壓，峰值可達10～40V。轉子軸電壓一旦形成回路就會產生軸電流，產生的軸電流瞬間可達幾百安甚至上千安培，極易把軸頸和軸瓦燒壞，造成軸承溫升過快、燒毀和電機振動等[7-8]。

該型電機采用端蓋滑動軸承，球面調心瓦，兩端軸瓦與軸承箱可靠絕緣，傳動端設有接地電刷，以防止軸電流損壞軸瓦。端蓋滑動軸承的結構設計充分考慮了用戶現(xiàn)場維護，檢修方便。該軸承可承受來自負載軸向推力30kN，軸向串動量1mm。

2.4 阻尼繞組設計

軋鋼機用調速用LCI同步電動機需要承受大幅變化的沖擊載荷以及頻繁的正反轉，電動機在咬鋼或拋鋼時，突變的負載和速度、轉矩和定子電流的變化造成功率角變化振蕩，在阻尼繞組中產生感應電流，使轉子產生驅動或阻礙性質的電磁轉矩，使轉速趨于同步速度，同步電動機快速進入穩(wěn)定狀態(tài)。在目前大型凸極同步電動機中阻尼繞組的結構有兩種：一種是用銅端環(huán)把所有磁極的阻尼條直接短路連接起來稱為全阻尼繞組結構；另一種是把每個磁極上的阻尼條兩端分別焊接在兩磁極壓板上，然后在磁極鴿尾槽處用鋼板把磁極與磁軛連接起來，稱為半阻尼繞組結構。全阻尼繞組沖擊電流范圍、功角振蕩范圍明顯小于半阻尼繞組，從增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少功率角振蕩原則，該電動機選擇全阻尼繞組。阻尼條為7根，直徑16mm，節(jié)距35mm，阻尼繞組端環(huán)有足夠面積，接觸良好，牢固可靠，端環(huán)連接片采用多層薄銅帶軟連接，改善阻尼環(huán)受力提高過電流能力。

LCI自控同步電動機的阻尼繞組可以改善變流器的換流特性。阻尼繞組使換流的阻抗減少，加快了變流器的負載換流時間，并使電壓波形的缺口減少，改善了電壓波形。同時，阻尼繞組加強了電動機過載能力，使換流極限加大。超瞬變電抗x′d和x′q的大小直接影響同步電動機的換流特性，從加速換流過程的角度出發(fā)，超瞬變電抗小x′d和x′q越小越好，LCI的同步電動機超瞬變電抗x′d比常規(guī)電動機小得多，大約在0.18左右。

3 仿真結果分析

3.1 三相同步電動機模型的建立

Ansoft中的 RMxprt 電機模塊是基于電機等效電路和磁路的設計理念來計算、仿真各種電機模型，具有建立模型簡單快捷、參數(shù)調整方便等優(yōu)點，同時具備一定的計算精度和可靠性。將 RMxprt 中計算完成的電機模型導入到二維瞬態(tài)場中，軟件會自動加載幾何模型并定義各部分材料，同時給出電機的邊界條件、激勵源和網(wǎng)格剖分等，基本上形成了從 RMxprt 到Maxwell2D的一鍵式操作。

為驗證軋鋼用 TBPKS900-6 4000kW 三相同步電動機電磁性能，用Ansoft軟件對所設計的電機進行了電磁場有限元仿真。建立 TBPKS900-6 4000kW 482/1500r/min 3150V三相同步電動機分析二維有限元模型的具體過程如下：（1）把三相同步電動機的幾何尺寸和基本參數(shù)輸入RMxprt模塊，軟件對所輸入項進行求解，自動生成二維有限元幾何模型，如圖1所示。（2）在求解結果analysis中右鍵生成 create Maxwell design，采用瞬態(tài)模塊進行二維有限元分析。（3）為節(jié)省仿真計算時間，將電機求解周期設置為6。

3.2 三相同步電動機仿真結果分析

用Ansoft中的瞬態(tài)求解器對同步電動機模型進行求解可以得到發(fā)電機相電流、反電勢、磁力線分布圖、磁密分布云圖等。

圖2是空載勵磁電流62A時磁力線分布圖，空載時，同步電動機功率角接近零，磁力線以極身為對稱分布。

圖1 電機二維有限元模型

圖2 空載時磁力線分布圖

圖3 是在負載79.25kN﹒m勵磁電流390A時磁密分布云圖，額定負載時，同步電動機功率角34°，磁密在極靴肩部有飽和。

圖3 負載時磁密分布圖

圖4 是同步電動機由空載到負載至穩(wěn)態(tài)運行時的電流曲線，額定負載時，同步電動機三相電流對稱，三相電流有效值約790A。

圖4 負載電流曲線

3.3 結論

由于軋鋼用三相同步電動機采用LCI變頻調速，同步電動機運行與控制方式密切相關，因此對同步電動機進行Ansoft有限元分析僅僅求解空載磁力線、負載磁密以及額定狀態(tài)下電流曲線，通過對空載磁力線、負載磁密以及額定狀態(tài)下電流曲線分析判定采用類比設計法可以達到客戶要求的電氣性能。

[1]金炫. 5000kW 交直交變頻同步電動機設計特點[J]. 上海大中型電機，2000(3): 19-23.

[2]田德見. 5000kW 交交變頻調速同步電動機設計[J]. 冶金自動化, 2000(5): 46-48.

[3]李偉. 軋鋼生產線精軋電機阻尼環(huán)變形原因分析及改進措施[J]. 防爆電機，2012, 47(4): 36-38.

[4]魏慶. LCI驅動同步電機調速系統(tǒng)中轉矩脈動的工程計算方法研究[J]. 電工電能新技術，2009,28(3): 18-22.

[5]張春莉. 六相電流型交直交變頻同步電動機電樞磁勢及轉子表面附加損耗的分析. 大電機技術，2003(2): 31-34.

[6]萬元. 大型發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測與分析方法研究[D]. 華中科技大學，學位論文，2009.

[7]郭程. 變頻技術對交流電動機軸電流的影響與預防[J]. 大電機技術，2008(3): 23-25.

[8]肖芳. PWM電機驅動系統(tǒng)中共模電壓和軸電壓的抑制[J]. 電機與控制學報，2009, 13(3): 402-107.